Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ процесса контактного окисления концентрированного сернистого газа как объекта управления 14
1.1. Процесс окисления концентрированных сернистых смесей как объект исследования. Особенности управления процессом 14
1.2. Условия безопасности управления процесса контактного окисления концентрированных сернистых смесей 31
1.2.1. Температурный режим 31
1.2.2. Гидродинамический режим 33
1.3. Современное состояние автоматизации процесса окисления диоксида серы в смеси с воздухом. 37
1.4. Постановка задачи работы 41
1.5. Обзор работ по математическому моделированию процесса окисления диоксида серы в контактном аппарате с неподвижными слоями катализатора .44
2. Моделирование процесса контактного окисления диоксида серы в многослойном контактном аппарате 51
2.1. Структура математического описания многослойного контактного аппарата с неподвижными слоями катализатора для окисления диоксида серы 52
2.2. Математическое описание процесса окисления диоксида серы в слое катализатора 55
2.2.1. Двухфазная математическая модель процесса окисления диоксида серы в слое катализатора .56
2.2.2. Энтропийная модель процесса окисления диоксида серы в слое катализатора 60
2.2.3. Алгоритм решения системы уравнений математической модели 64
2.3. Математическое описание контактного аппарата 69
2.4. Экспериментальное исследование процесса окисления концентрированных сернистых смесей 71
2.5. Разработка адаптивной математической модели процесса окисления концентрированной сернистой смеси в слое катализатора 77
2.5.1. Проверка адекватности математической модели 78
2.5.2. Выявление причин нарушения адекватности модели 80
2.5.3. Построение адаптивной математической модели 84
2.6. Исследование статических свойств процесса окисления концентрированных смесей в слое катализатора 86
2.6.1. Управляемость процесса окисления концентрированного сернистого газа 87
2.6.2. Теоретическая производительность слоя 89
2.6.3. Температура газа на выходе слоя 90
2.6.4. Производство энтропии 92
3. Оптимизация процесса окисления концентрированного сернистого газа в многослойном контактном аппарате 96
3.1. Структуризация потоков газа в многослойном контактном аппарате для окисления концентрированных сернистых смесей 96
3.2. Оптимизация процесса окисления диоксида серы в двухслойном контактном аппарате с последовательно - параллельным соединением слоев 102
3.3. Проверка допустимости оптимальных управляющих воздействий 108
4. Адаптивная система оптимального управления процессом окисления концентрированного сернистого газа 117
4.1. Функции адаптивной системы оптимального управления. Контроль процесса с использованием термодинамических показателей 117
4.2. Алгоритмы расчёта термодинамических показателей состояния процесса окисления концентрированного сернистого газа 120
4.2.1. Алгоритм расчёта минимального производства энтропии в физических и химических процессах, протекающих в слое 120
4.2.2. Алгоритм термодинамического контроля процесса окисления концентрированного сернистого газа. 127
4.3. Функциональная структура АСАУ процесса окисления концентрированного сернистого газа 131
4.4. Стабилизация режимов окисления концентрированных сернистых смесей в двухслойном контактном аппарате с последовательно -параллельном соединением слоев .134
4.5. Структура технических средств АСАУ процесса окисления концентрированного сернистого газа . 140
Заключение 144
Литература. 146
- Процесс окисления концентрированных сернистых смесей как объект исследования. Особенности управления процессом
- Энтропийная модель процесса окисления диоксида серы в слое катализатора
- Структуризация потоков газа в многослойном контактном аппарате для окисления концентрированных сернистых смесей
- Структура технических средств АСАУ процесса окисления концентрированного сернистого газа
Процесс окисления концентрированных сернистых смесей как объект исследования. Особенности управления процессом
Технология производства серной кислоты представляет собой совокупность следующих основных технологических стадий: получение SO2 сжиганием серосодержащего сырья; охлаждения, очистки и осушки обжигового газа; окисления SO2 на катализаторе; абсорбции SO3 из контактного газа с получением конечных продуктов - серной кислоты и олеума [1,3-6]. На рис. 1.1 изображена химико - технологическая система (ХТС) современного крупнотоннажного СКП. На первой стадии серосодержащее сырьё (жидкая сера, серный колчедан, сероводород) подвергается обжигу кислородом воздуха в печах 1. В результате экзотермических реакций окислительного обжига серы и других веществ, содержащихся в сырье, образуется обжиговый газ, который содержит диоксид серы, азот и кислород, незначительное количество триоксида серы и воды. Обжиговый газ, температура которого может изменяться в пределах 850... 1350С, охлаждается в котлах утилизаторах 2 до 400...450 С. Охлаждённый газ, в случае необходимости подвергается очистке и осушке 3, затем поступает на стадию 4 контактирования, где на стационарном слое ванадиевого катализатора в многослойном реакторе протекает экзотермическая реакция окисления диоксида серы:
2S02 + О, = 2S03 + QP .
Контактный газ, содержащий SO3, поступает на стадию абсорбции 5, где в мо-ногидратных и олеумных абсорберах осуществляется поглощение S03 водой орошающей кислоты по реакции nSOs + тН20 - mH2S04 +(п-т)- S02 +QF, с образованием конечных продуктов - моногидрата (т = п) или олеума (п т).
Известно [1-6], что наиболее радикальный путь наращивания производительности и повышения экологической безопасности СКП связан с получением (стадия сжигания серосодержащего сырья) и переработкой (процессы контактного окисления SO2 и получения продукта) концентрированного сернистого газа, с одновременным замыканием производства и частичной отдувкой отработанного газа из сернокислотной системы, что позволяет снизить количество выбрасываемого в атмосферу газа, тем самым уменьшая вредное воздействие оксидов серы на окружающую среду [15].
Однако, циклические СКП, работающие на концентрированном сернистом газе не получили распространения. Одна из причин этому - сложность технологической реализации процессов циклического СКП, обусловленная увеличением скорости протекания химических реакций, интенсивностью выделения тепла и явно выраженным неравновесным характером.
Наиболее труднореализуемым из всех процессов циклического СКП является процесс окисления SO2, единственный из всех процессов СКП протекающий на катализаторе и значительно отличающийся от окисления S02 в составе воздушных сернистых смесей.
Действительно, в работах [9,12,13] предлагается технология сжигания серосодержащего сырья. Для понижения температуры реакции в печь предлагается подавать S02 и SO3 из рецикла [9] или воду [ПО]. Для извлечения S03 из контактных газов в этих же работах предлагается применять конденсацию или абсорбцию SO3, приводятся оценки извлекаемого количества SO3.
Процесс окисления концентрированного сернистого газа рассматривается менее подробно. Влияние повышенной концентрации реагентов на технологический режим процесса не рассматривается. Для реализации процесса окисления концентрированных смесей предлагается использовать обычный многослойный контактный аппарат [9,12] или контактный аппарат с псевдоожижен-ным слоем [13]. Однако в условиях псевдоожиженного слоя происходит интенсивное истирание катализатора, что усиливает и без того нестационарные свойства катализатора. Поэтому более реальным является реализация процесса окисления концентрированного сернистого газа в многослойном контактном аппарате.
Проведённый анализ известных способов окисления концентрированного сернистого газа в многослойном контактном аппарате, а также исследование свойств этого процесса, результаты которого изложены ниже показал, что для реализации высокоинтенсивного, неравновесного процесса окисления S02 необходимо решить вопросы управления данным процессом, требующие совершенствования АСУТП, в частности адаптации к выявленным особенностям управления математического, алгоритмического и программного обеспечения системы.
Таким образом, процесс контактного окисления концентрированных сернистых смесей, которому сопутствует замыкание сернокислотного производства, как объект исследования, представляет научный интерес, автоматизированная система управления данным нестационарным процессом имеет практическое значение, а разработка математического, алгоритмического и программного обеспечения АСУТП является актуальной задачей.
Для выявления особенностей управления процессом окисления концентрированного сернистого газа, рассмотрим известные технологические схемы процесса, как в составе СКП работающих на воздушных смесях, так и в циклических СКП, а также исследуем современное состояние автоматизации процесса окисления S02 в смеси с воздухом и возможность применения АСУТП окисления S02 в смеси с воздухом для управления процессом окисления концентрированной смеси.
На рис. 1.2 показана типовая схема процесса окисления S02 в составе воздушных сернистых смесей в многослойном контактном аппарате.
Окисление диоксида серы осуществляется в контактных аппаратах с адиабатическими слоями контактной массы [1-6]. Для контактирования используется реакционный газ состава (% об.): S02-7..9, 02-9.. 14, N2-79..82, который последовательно проходит 3...5 слоев контактной массы, расположенных в одном или двух контактных аппаратах. Газовый поток охлаждается между слоями в теплообменниках. С выхода последнего слоя контактный газ поступает на стадию выделения SO3, а далее, отработанный газ выводится в атмосферу, предварительно подвергаясь очистке от SO2. В такой схеме степень превращения S02 на выходе каждого слоя катализатора близка по значению к равновесной и увеличивается от слоя к слою (рис. 1.3). Такая схема по существу является классической.
Классическая схема процесса окисления S02 является незамкнутой по газовой фазе. Степень превращения SO2 в ней - важный показатель эффективности и управляемая величина, значение которой должно быть близким к единице (не ниже 0.96). Соответственно технологический режим и значения управляющих воздействий в классической схеме выбираются из условия обеспечения максимально возможной степени превращения диоксида серы. Такое управляющее воздействие как расход реакционного газа минимизируется, а концентрация SC 2 в реакционном газе ограничивается 9 % об.
Известно, что с увеличением степени превращения уменьшается скорость химической реакции. Так, основное количество SO3 (60-80%) в классической схеме (см. табл. 1.1) получается на первом слое катализатора [4]. На последующих слоях окисляется 20-40% исходного количества S02 - большая часть контактной массы в контактном аппарате используется непроизводительно, но необходима для достижения требуемой полноты превращения SC 2. Поэтому основной недостаток классической схемы [1,3-6,14,21,40,42] - непроизводительное использование контактной массы второго и особенно последзчощих слоев, которые необходимы фактически как "санитарные".
Энтропийная модель процесса окисления диоксида серы в слое катализатора
При разработке энтропийной модели использовалось следующее представление о процессе окисления SO2 протекающего в адиабатическом слое катализатора.
До соприкосновения со слоем катализатора газовая смесь, состоящая из SO2, SO3, 02 и N2 пребывает в равновесном термодинамическом состоянии. Поверхность катализатора нарушает это состояние.
В термодинамическом отношении происходит структуризация газовой смеси на подсистему S02 - 02, и на подсистему SO3 (рис.2.3), возникают движущие силы физических и химических процессов. Через поверхность катализатора, являющуюся границей раздела подсистем, устремляются потоки вещества. От поверхности катализатора к газовому потоку происходит передача тепла. Ансамбли молекул S02 и 02 определяют поток к поверхности катализатора, от поверхности катализатора имеет место поток к подсистеме SO3. На поверхности катализатора, за счёт работы химического превращения, происходит изменение состава газовой смеси, которое сопровождается выделением тепла.
Такое представление о процессе окисления S02 предполагает, что перенос вещества, передача тепла и химическое превращение, протекающие на катализаторе, являются необратимыми. Необратимые процессы всегда сопровождаются диссипативным эффектом [27-31], из-за чего часть потоков вещества и теплоты на границе раздела подсистем рассеивается, увеличивая энтропию термодинамической системы.
Это позволяет такой показатель как энтропия, производимая из-за необратимости физических и химических процессов, использовать для сравнения различных по свой сути элементарных процессов, имеющих место в слое катализатора, оценивать их влияние на неравновесность процесса окисления S02, количественно отслеживая её значение и фиксировать диссипативные потери.
Дополним модель (2.2)-(2.25) уравнениями баланса энтропии учитывающих необратимость химической реакции окисления и сопутствующих ей процессов массо- и теплообмена между газовым потоком и поверхностью катализатора и процесса переноса реакционного газа через слой катализатора.
Сначала составим уравнение баланса энтропии для процесса химического превращения по схеме (2.1).
Химическую реакцию характеризует энергия Гиббса, приращение которой вычисляется по следующей формуле [27,28]:
Гидравлическое сопротивление слоя катализатора вносит свой вклад в возрастание энтропии в процессе контактного окисления S02. Рассмотрим это.
В работе [30] разработаны уравнения баланса энтропии для процесса дросселирования. Как при дросселировании, так и в процессе переноса вещества сквозь слой катализатора газ расширяется, а его давление снижается. Если обозначить давление на входе в слой Рнг, давление на выходе из слоя Ркг, то баланс энтропии процесса переноса газового потока сквозь слой катализатора примет вид
Значения парциальных давлений компонентов в реакционном газе и температуру реакционного газа, а также соответствующие параметры реакционного газа на поверхности катализатора, необходимые для вычисления приращения энтропии по уравнениям (2.31), (2.35) - (2.37), определяются через решение уравнений математической модели (2.2)-(2.25).
Разработанная энтропийная модель процесса окисления SCb в виду того, что энтропия является величиной аддитивной, позволит контролировать дисси-пативные потери и неравновесность как отдельных элементарных процессов, протекающих в слое катализатора, так и всего процесса окисления S02 в целом.
В результате число контролируемых переменных определяемых с помощью расчётов по математической модели сильно возрастает. Эти контролируемые переменные можно разбить на три группы: интенсивные переменные в потоке сернистого газа; интенсивные переменные на поверхности катализатора; производимая в различных физико-химических процессах, сопутствующих процессу окисления SO2, энтропия. Переменные первых двух групп требуют непрерывного контроля, в то время как энтропийные переменные в большей мере необходимо контролировать периодически, в моменты изменения показателей характеризующих состояние катализатора и всего слоя контактной массы.
Периодичность контроля энтропийных переменных позволяет сэкономить затрачиваемое на вычисления машинное время, и разработать эффективный алгоритм решения уравнений (2.2)-(2.38) математического описания.
Структуризация потоков газа в многослойном контактном аппарате для окисления концентрированных сернистых смесей
Недостатком предлагаемой к использованию на практике последовательной схемы соединения слоев контактного аппарата, предназначенной для работы на концентрированных смесях является накопление триоксида серы в контактном газе от слоя к слою. Накопление SO3 в контактном газе снижает эффективность процесса во втором и последующих слоях катализатора и обуславливает неравномерность реакционной загрузки слоев контактного аппарата.
Другой недостаток последовательной схемы окисления концентрированных сернистых смесей - низкая управляемость процессом. В частности отсутствует возможность регулировать скорость окисления SO2 в каждом слое катализатора, что, как показано в 1-м разделе, может привести к перегреву катализатора и выходу из строя контактной массы.
Управляющим воздействием, с помощью которого возможно регулирование скорости окисления SO2, является концентрация SO3 в реакционном газе на входе в слой катализатора. В циклической схеме использование SO3 в качестве управляющего воздействия легко осуществимо и, что важно, не влияет на экологическую безопасность производства.
Всё это предопределило направление структуризации технологических потоков многослойного КА в циклической схеме СКП.
Произведём сравнительный анализ контактных аппаратов с различной структурой соединения потоков межслоевого сернистого газа и разработаем структуру контактного аппарата, обеспечивающую высокие показатели эффективности процесса, равномерность реакционной загрузки слоев контактного аппарата и необходимую управляемость процессом контактного окисления концентрированного сернистого газа, в частности управляемость скоростью процесса окисления SO2 в каждом отдельном слое катализатора.
В качестве показателей, оценивающих эффективность работы контактного аппарата примем удельную производительность контактной массы со и затраты энергии на перемещение реакционного газа в контактном аппарате Ег. Это позволит сравнивать контактные аппараты с различными объёмом катализатора V и расходом реакционного газа N.
Как следует из таблицы 3.1 наименьшая удельная производительность у контактного аппарата с последовательным соединением слоев, наибольшая у однослойного контактного аппарата (рис.3.1). Таким образом, с позиции производительности наиболее эффективен однослойный контактный аппарат.
Однако существенным недостатком однослойного аппарата является высокая степень рециркуляции (порядка 85%) и сложность управления температурным режимом. При этом, имеющие место в сернокислотном производстве, случайные колебания расхода и состава реакционного газа, а также изменения расхода связанные с корректировкой планового задания, чреваты перегревом контактной массы.
Разделение потоков межслоевого контактного газа в многослойном контактном аппарате (рис.3.2), открывает возможность влиять на концентрацию S03 в реакционном газе на входе в каждый слой катализатора и на величину рециклового газа. Данный факт улучшает управляемость процессом контактного окисления S02. Вместе с тем удельная производительность в последовательно-параллельной схеме выше чем в обычной последовательной схеме.
В последовательно параллельной схеме соединения слоев катализатора в многослойном контактном аппарате окисление S02 осуществляют следующим образом.
Исходные потоки W реакционного газа и V кислорода распределяют между слоями контактного аппарата. Процесс протекает в каждом слое в диапазоне от температуры начала реакции Тж (температура зажигания смеси) до температуры Тр, выше которой начинается термическое разложение катализатора. С выхода і-го слоя (i=l,2,.. .,m) поток Ъ\ контактного газа делится на два потока ХІ и У;. Поток Xj подают на вход следующего слоя контактного аппарата, а поток У;, вместе с потоком контактного газа с выхода последнего слоя, подают на общую для всех слоев стадию выделения S03 направляют в конденсатор-холодильник. На вход (і+1)-го слоя подают свежий поток У\ кислорода и свежий поток W; диоксида серы.
В блоке выделения из контактного газа, охлаждая его в интервале температур 17-44 С, путем конденсации выделяют жидкий S03. С выхода блока выделения отработанный газ направляют; в линию рецикла, а жидкий S03 направляют в склад готовой продукции или на переработку в кислоту (олеум).
Приём деления межслоевого контактного газа обеспечивает проведение процесса окисления SO2 по последовательно-параллельной схеме и позволяет управлять концентрацией S03 в реакционном тазе на входе в і+l слой путём изменения величины разделения потока контактного газа Ъх с выхода і-го слоя. На первый слой аппарата необходимое количество S03 подают через рецикл или отдельным вводом из ёмкости хранения S03. В результате деления потоков межслоевого контактного газа на два выравнивается реакционная загрузка слоев контактного аппарата.
При такой структурной организации контактного аппарата в реакционном газе на входе слоев неизбежно присутствие некоторого количества S03. Способность S03 замедлять скорость окисления SO2 оказывает на слой положительное воздействие, позволяя своим присутствием регулировать скорость окисления S02. Кроме того, незначительное присутствие SO3 увеличивает теоретическое время контакта, поддерживая его значение выше действительного, и обеспечивает тем самым температурный режим в рамках выполнения условий (1.1)-(1.3) не допуская перегрева катализатора.
Присутствие в реакционном газе SO3 искусственно приближает газ к равновесному составу. В классической схеме при переработке газо-воздушных смесей, близость КГ к равновесному составу достигается за счёт некоторого запаса в слое контактной массы. В циклической схеме дозирование S03 в реакционный газ эквивалентно «выделению» в слое запаса КМ. Подобный запас необходим для того, чтобы парировать возмущения связанные со случайным или плановым изменением расхода реакционного газа и возмущения обусловленные снижением активности катализатора. В результате гидродинамический режим процесса окисления SO2 поддерживается в рамках, обусловленных условиями (1.9)-( 1.11).
Управляющим воздействием на количество SO3 в реакционном газе, и, как следствие, на температурный режим слоя, является степень Я разделения - отношение величины потока контактного газа, направляемого на стадию выделения S03, к величине потока, выводимого из слоя.
При последовательно-параллельной структурной организации входных и выходных потоков газа относительно слоев катализатора достаточно просто инвариантно осуществлять регулирование содержания в реакционном газе любого компонента, а так же расход реакционного газа на входе слоев, причём, что важно, в широком диапазоне значений. Данное свойство обусловлено возможностью подачи концентрированного сернистого газа и кислорода в каждый слой независимыми потоками. Использование в качестве управляющих воздействий состава и расхода реакционной смеси на входе слоев обеспечивает управление скоростью реакции окисления SO2, производительностью слоя и в целом контактного аппарата.
Таким образом, распределение потоков исходного сернистого газа и кислорода по слоям контактного аппарата с одновременным выделением части S03 из межслоевого контактноготаза на новом качественном уровне повышает управляемость процесса переработки S02, что делает задачу выравнивания реакционной нагрузки слоев контактного аппарата малоизученной. Одновременно открывается возможность приближения работы всех слоев катализатора к режиму работы первого слоя, а значит к наиболее эффективному.
Структура технических средств АСАУ процесса окисления концентрированного сернистого газа
Техническое обеспечение АСАУ процесса окисления концентрированного сернистого газа целесообразно выполнять на базе многофункционального комплекса программно - аппаратных средств для построения распределённых систем управления - МФК «Техноконт» [123]. Это наиболее хорошо соответствует принятой двухуровневой структуре системы управления. Такое решение наиболее распространено при построении АСУТП в химической промышленности, в частности в СКП [109,113,125-1273 и апробировано опытом их эксплуатации. Разработанная структура технических средств АСАУ процессом окисления представлена на рис.4.11.
На верхнем уровне АСАУ процесса окисления концентрированного сернистого газа применены IBM - совместимые персональные электронно - вычислительные машины (ПЭВМ). На данном уровне осуществляется диагностирование состояния процесса окисления, адаптация параметров математического описания при нарушении стационарности контактной массы слоев, а также оптимизация статических режимов процесса окисления.
Верхний уровень системы включает в себя автоматизированное рабочее место оператора - технолога (АРМОТ), позволяющее ему получать всю информацию о состоянии управляемого объекта и работе системы, дистанционно осуществлять оперативные управляющие воздействия на технологический объект, воздействовать на настройки алгоритмического обеспечения системы управления [168].
Основа АРМОТ - IBM совместимый персональный компьютер (ПК). Технические и программные средства АРМОТ обеспечивают выполнение следующих информационных функций системы:
- представление информации о ходе и состоянии ТП, состоянии оборудования;
- автоматическое представление сообщений о технологических и аварийных нарушениях;
- архивирование технологических и аварийных сообщений;
- распечатку по вызову оператора информации о состоянии технологического оборудования и значениях технологических переменных. С АРМОТ оператор может дистанционно воздействовать на контроллер нижнего уровня системы.
Основная форма представления информации о состоянии технологического оборудования и значениях технологических переменных - видеокадры и фрагменты мнемосхемы, выдаваемые на экранах мониторов, входящих в состав АРМОТ.
Стабилизация статических режимов процесса окисления концентрированного сернистого газа (нижний уровень) осуществляется локальными автоматическими системами регулирования, реализованными на контроллерах ТСМ-51, соответствующих стандарту IP-42.
Кроме того, на нижнем уровне контроллеры ТСМ-51 обеспечивают выполнение всех информационных, управляющих и служебных функций, за исключением функций представления информации оператору, сигнализации и фиксации результатов, отображающих работу системы управления, в виде распечаток.
Система автоматического регулирования процессом контактного окисления концентрированного сернистого газа, построенная на контроллерах ТСМ-51, обеспечивает возможность расчёта и реализации законов регулирования с различными (0,5...40 с) периодами расчёта; погрешность реализации расчётного периода обновления регулирующих воздействий не превышает 0.25 с. Выдача регулирующих воздействий осуществляется в режиме широтно - импульсной модуляции с дискретностью 0.05 с. Для интерфейса между элементами нижнего (контроллерами) и верхнего (ПЭВМ) уровней в системе используется сеть Bitbus.
Похожие диссертации на Адаптивное автоматизированное управление процессом окисления концентрированного сернистого газа
